Verfahren zum Betrieb eines Gleichstrom-Lichtbogenofens

Abstract

 Bei einem Gleichstrom-Lichtbogenofen mit einem grossflächigen Bodenkontakt (3) werden elektromagetisch verursachte Badbewegungen durch einen unterhalb des Gefässbodens (4) angeordneten Elektromagneten (9) so beeinflusst, dass die natürliche Strömung im Schmelzbad, die durch den Stromfluss in der Schmelze entssteht, in ihrer Richtung umgekehrt wird. Auf diese Weise wird die Standfestigkeit des Bodenelektrode (3) wesentlich erhöht. Der Elektromagnet (9) ist vorzugsweise in die elektrische Anspeisung des Ofens integriert und dient als Glättungsdrossel.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrom-Lichtbogenofen mit mindestens einer als Kathode geschalteten Elektrode und mindestens einer als Kathode geschalteten Bodenelektrode.

[0002] Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus der US-PS 4,032,704 ergibt.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

[0003] Bei Gleichstrom-Lichtbogenöfen ist die Bodenelektrode das am höchsten beanspruchte Bauteil. Sie besteht beispielsweise aus einem oder mehreren Stahlkörpern, der sich durch den Gefässboden und seine Ausmauerung erstreckt und im Ofeninneren den elektrischen Kontakt zur Schmelze herstellt. Ausserhalb des Gefässbodens ist die Bodenelektrode an die Stromversorgung des Ofens angeschlossen. Bei modernen Gleichstromlichtbogenöfen bildet der gesamte Ofenboden Bodenelektrode, die entweder als elektrisch leitende Futterschicht mit elektrisch leitenden Ziegeln oder nichtleitender Zustellung mit eingestreuten Metallstäben oder Metallblechen ausgeführt ist.

[0004] Der durch die Schmelze fliessende Ofenstrom führt zu einer Badbewegung in der Schmelze. Diese Badbewegung - hat eine günstige Auswirkung auf den Schmelzverlauf und auf den Temperaturausgleich im Schmelzbad. Bei leistungsstarken Lichtbogenöfen, die mit Gleichströmen bis 120 kA und mehr betrieben werden, besteht jedoch die Gefahr, dass die Strömung in der Schmelze - dabei treten Geschwindigkeiten bis zu 0,5 m/sec auf - den Verschleiss des Ofenbodens im Bereich unter der Elektrode infolge Erosion erhöht. Insbesondere bei Gleichstrom-Lichtbogenöfen mit grossflächiger Bodenelektrode (Bodenkontakt) verkürzen diese Vorgänge die Standzeit des Ofengefässes.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0005] Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrom-Lichtbogenofen zu schaffen, dessen Bodenelektrode gegen Erosionswirkungen geschützt ist und damit eine höhere Lebensdauer aufweist.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass unterhalb des Ofenbodens eine gleichstromdurchflossene, vorzugsweise vom Ofenstrom durchflossene Spule vorgesehen ist, mit einer Spulenfläche, die annähernd der Fläche der Bodenelektrode entspricht, wobei die Ampere-Windungszahl so bemessen ist, dass die durch den Stromfluss in der Schmelze unterhalb der Elektrode allein erzeugte, nach unten gerichtete Badbewegung in der Schmelze durch das Magnetfeld der besagten Spule zumindest teilweise in die Gegenrichtung gekehrt wird.

[0007] Zwar ist bereits in der US-A-4,032,704 vorgeschlagen worden, einen mit Gleichstrom gespeisten Elektromagneten an der Unterseite des Ofengefässes eines Gleichstromlichtbogens vorzusehen. Dieser Elektromagnet dient jedoch ausdrücklich dazu, in der Schmelze eine zusätzliche Rührbewegung zu erzeugen, um metallurgische Reaktionen und einen Temperaturausgleich in die Schmelze zu beschleunigen. Hinweise über die Bemessung des Magneten und seine nachstehend nicht ohne weiteres vorhersehbaren Wirkungen auf die Badbewegung der Schmelze und die Standzeit des Ofengefässes sind dieser Patentschrift nicht zu entnehmen.

[0008] Bei der Erfindung erzeugt die Spule ein stationäres Magnetfeld. Durch Einwirkung des Magnetfeldes auf den Strom in der Schmelze werden Kräfte erzeugt, wodurch die Schmelze in Rotation um die Vertikalachse des Ofens versetzt wird. Durch diese Rotation entsteht eine sekündäre Einwirkung des Magnetfeldes, wodurch zusätzliche Kräfte im Schmelzbad erzeugt werden, die der Strömung der Schmelze von der Lichtbogenzone zum Ofenboden entgegenwirken. Nach wie vor findet jedoch in der Schmelze eine Badbewegung statt, die den Wärmeaustausch vorteilhaft beeinflusst.

[0009] Dies Spule lässt sich ohne grossen Aufwand sowohl bei Neukonstruktionen als auch bei bestehenden Oefen in die Ofenanlage integrieren. Ihr zusätzlicher Leistungsbedarf ist gegenüber dem Leistungsbedarf des gesamten Ofens klein und liegt bei etwa 0,3% der gesamten Ofenleistung. Die Spule kann grundsätzlich von einer externen Stromquelle gespiest werden. Es ist jedoch am wirtschaftlichsten, wenn sie in den Ofenstromkreis integriert ist und vom Ofenstrom durchflossen wird. Dann erfüllt sie vorteilhaft einen weiteren Zweck: Bei Gleichstrom-Lichtbogenofenanlagen werden normalerweise in den Speiseinrichtungen Gleichstromdrosseln eingesetzt, damit die gesamte Ofenregelung funktioniert. So werden z.B.in einem 12-Puls-Gleichrichter zwei Drosseln verlangt mit je fünf Windungen, die typisch von etwa 40 kA durchflossen werden. Vorteilhaft können nun die Spulenanordnungen an der Unterseite des Ofengefässes als ebendiese Drosseln verwendet werden, was beispielsweise durch Unterteilung der einen Spule in zwei magnetisch parallelgeschaltete Spulen erfolgen kann.

[0010] Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0011] In der Zeichnung zeigt

Fig.1

ein Ausführungsbeispiel eines Gleichstrom-Lichtbogenofens mit einer vom Ofenstrom durchflossenen Magnetspule unterhalb des Gefässbodens;

Fig.2

eine Schaltungsanordnung mit einem 12-pulsigen Gleichrichter, bei welcher die Elektromagneten in die Ofenspeisung integriert sind;

Fig.3

eine graphische Dastellung der sich in einem Gleichstrom-Lichtbogenofen einstellenden Strömungen in der Schmelze ohne äusseres Magnetfeld;

Fig.4

eine graphische Dastellung der sich im erfindungsgemässen Gleichstrom-Lichtbogenofen mit unter dem Gefäss angeordneter Magnetspule einstellenden Strömungen in der Schmelze.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0012] Der Kesselunterteil eines Gleichstrom-Lichtbogenofens gemäss Fig.1 weist einen metallischen Gefässmantel 1 auf, dessen Wandungen mit einer Feuerfest-Ausmauerung 2 versehen sind. Der gesamte Boden des Ofengefässes ist als Bodenelektrode 3 ausgebildet und besteht aus mehreren Schichten elektrisch leitender Ziegel 3a, 3b, 3c aus Feuerfestmaterial, dem zwecks Erhöhung der Leitfähigkeit Kohlenstoff zugesetzt ist. Die Ziegel liegen auf einer Bodenplatte 4 auf, welche gleichzeitig der Kontaktierung der Bodenelektrode 3 dient. Eine Lichtbogenelektrode 5 ragt von oben her in das Ofengefäss bis wenig oberhalb der Schmelze 6. Im Ausführungsbeispiel weist der Ofen nur eine als Kathode geschaltete Elektrode 5 auf, doch kann diese Zahl auch zwei, drei oder mehr betragen. Die Bodenelektrode 3 ist mit Stromanschlüssen 7 versehen, die an den positiven Pol einer Stromversorgungseinrichtung 8 führen.
Insoweit entspricht der Gleichstrom-Lichtbogenofen dem Stand der Technik und ist beispielsweise im US-Patent 4,228,314 oder auch in der DE-Patentschrift 30 22 566 ausführlich beschrieben.

[0013] Erfindungsgemäss ist nun an der Unterseite des Ofengefässes eine Magnetspule 9, bestehend im Beispielsfall aus zwei magnetisch parallelgeschalteten Einzelspulen 9a und 9b, vorgesehen.Diese Magnetspule 9 ist vom Gefässboden deutlich distanziert und weist eine Fläche auf, die in der Grössenordnung der freien Schmelzbadoberfläche der Schmelze 6 liegt.

[0014] Bei einem typischen 80 Tonnen-Gleichstrom-Lichtbogenofen mit ca 5,5 m Ofendurchmesser bei ca. 4,5 m Innendurchmesser beträgt der Durchmesser der Magnetspule ca 2 m. Der Abstand von der Schmelze etwa 1,3 m.
Jede der beiden Einzelspulen 9a und 9b wird, wie aus Fig.2 hervorgeht, vom halben Ofenstrom durchflossen. Es kann aber auch nur eine einzige vom gesamten Ofenstrom durchflossene Spule sein.

[0015] Die Schaltungsanordnung nach Fig.2 zeigt eine typische Stromversorgungseinrichtung eines modernen GleichstromLichtbogenofens mit einer 12-pulsigen Gleichrichteranordnung. An ein dreiphasiges Drehstromnetz 13 ist ein Transformator 14 mit zwei Primärwicklungen 15, 16, die im Dreieck geschaltet sind, und zwei Sekundärwicklungen 17, 18, von denen die eine im Dreieck, die andere in Stern geschaltet ist, angeschlossen. Beide Sekundärwicklungen führen an eine dreiphasige Gleichrichter-Brückenschaltung 19 bzw. 20. Die Minus-Sammelschienen sind miteinander verbunden und an die Schnelzelektrode 5 geführt. Zwischen jeder Plus-Sammelschiene der Brückenschaltungen 19 und 20 und der Bodenelektrode 2 liegt eine Teilspule 9a bzw. 9b. Erfindungsgemäss bilden nun diese beiden Teilspulen den hier aus zwei Spulen bestehenden Elektromagneten, wobei selbstredend die Anschlüsse und Windungssinn der Spulen so getroffen sind, dass diese Teilmagneten magnetisch parallel geschaltet sind. Bei einer sechs-pulsigen Gleichrichterschaltung entfielen die Wicklungen 15, 17 oder 16, 18 des Transformators 14 und dementsprechend eine der Brücken 19 bzw. 20 und auch eine der Teilspulen 9a bzw. 9b.

[0016] Bei einer Stromdichte von beispielsweise 5A/mm² beträgt das Gewicht des Elektromagneten etwa 4000 kg und die elektrischen Verluste liegen etwa bei 200 kW, ein akzeptabler Wert, wenn man bedenkt, dass der Leistungsbedarf eines derartigen Gleichstrom-Lichtbogenofen bei rund 65 MVA liegt; damit erhöht sich der Leistungsbedarf der gesamten Anlage nur um etwa 0,3 %.

[0017] Bei Betrieb des Ofens ohne Magnetspule 9 stellt sich in der Schmelze eine Badbewegung ein, die in der Fig.3 in Gestalt eines Geschwindigkeitsprofils (für die eine Hälfte des Bades) dargestellt ist. Je länger die Pfeile sind, je höher ist dabei jeweils die lokale Strömungsgeschwindigkeit. Man erkennt deutlich, dass im Bereich unterhalb der Elektrode die Schmelze mit hoher Geschwindigkeit von der Oberfläche zum Bodenkontakt strömt. Dabei werden Geschwindigkeiten um 0,5 m/sec. erreicht. Diese hohen Geschwindigkeiten in Verbindung mit der Temperatur der Schmelze führen zu Erosionen des Bodenkontakts.

[0018] Mit einer geeignet dimensionierten Magnetspule 9 hingegen - das von ihr ausgehende Feld ist in Fig.1 durch die Feldlinien 21 symbolisiert - überlagern sich die vom Ofenstrom in der Schmelze auftretenden Kraftwirkungen mit derjenigen des äusseren Magnetfeld derart, dass in der Schmelze im Bereich unter der Elektrode 5 eine Richtungsumkehr zumindest im bodennahen Bereich stattfindet, wie es in Fig.4 deutlich zu erkennen ist. Dabei ist auch die Strömungsgeschwindigkeit im bodennahen Bereich kleiner, und - was für die Lebensdauer des Bodenkontakts wesentlich ist - im kritischen Bereich unterhalb der Elektrode 5 trifft der Schmelzenstrom nicht mehr senkrecht oder nahezu senkrecht auf den Boden auf. Dass nunmehr die Schmelze am Gefässrand auf den Bodenkontakt auftrifft, ist weniger kritisch, weil dort mit geringerer Geschwindigkeit und mit einer weniger hohen Temperatur.

[0019] Nach wie vor strömt im oberflächennahen Bereich die Schmelze unter der Elektrode 5 von oben nach unten. Es stellt sich jedoch eine Uebergangszone ein, in welcher die beiden aufeinander zufliessenden Ströme sich radial nach aussen wenden. Die Tiefe, in der diese beiden Ströme aufeinanderprallen, ist sowohl durch die Höhe des Ofenstroms und die Grösse des äusseren Magnetfeldes bestimmt. Dabei haben sich folgende Richtwerte ergeben:
Bei einer Amperewindungszahl, die um die Faktor 2 oder mehr höher ist als der Ofenstrom, findet zumindest im bodennahen Bereich die geschilderte Richtungsumkehr statt.

BEZEICHNUNGLISTE

[Kein Teil der Anmeldung - nur zur Information]

[0020] 

1

Gefässmantel

2

Feuerfest-Ausmauerung der Gefässwandung

3a,3b,3c

leitende Ziegel der Bodenlektrode

4

Bodenplatte

5

Schmelzelektrode

6

Schmelze

7

Anschluss-Armaturen

8

Stromversorgungseinrichtung

9

Magnetspule

9a,9b

Einzelspulen von 9

13

Drehstromnetz

14

Transformator

15,16

Primärwicklungen von 14

17,18

Sekündärwicklungen von 14

19,20

Drehstrom-Gleichrichterbrücken

21

Feldlinien der Magnetspule 9

Ansprüche

1. Gleichstrom-Lichtbogenofen mit mindestens einer als Kathode geschalteten Elektrode (5) und mindestens einer als Kathode geschalteten Bodenelektrode (3), dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Ofenbodens (4) eine gleichstromdurchflossene, vorzugsweise vom Ofenstrom durchflossene Spule (9a,9b) vorgesehen ist, mit einer Spulenfläche, die annähernd der Fläche der Bodenelektrode entspricht, wobei die Ampere-Windungszahl so bemessen ist, dass die durch den Stromfluss in der Schmelze (6) unterhalb der Elektrode (5) allein erzeugte, nach unten gerichtete Badbewegung in der Schmelze (6) durch das Magnetfeld der besagten Spule (9a,9b) zumindest teilweise in die Gegenrichtung gekehrt wird.

2. Gleichstrom-Lichtbogenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amperewindungszahl mindest das zweifache des Ofenstroms beträgt.

3. Gleichstrom-Lichtbogenofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule aus zwei magnetisch parallelgeschalteten Einzelspulen (9a,9b) besteht, die jeweils vom halben Ofenstrom durchflossen sind.

Zeichnung